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4H-SiC wurde als Material für Leistungshalbleiterbauelemente kommerzialisiert. Die langfristige Zuverlässigkeit von 4H-SiC-Bauelementen steht jedoch ihrer breiten Anwendung im Wege, und das wichtigste Zuverlässigkeitsproblem von 4H-SiC-Bauelementen ist die bipolare Degradation. Diese Degradation wird durch die Ausbreitung eines einzelnen Shockley-Stapelfehlers (1SSF) von Basalebenenversetzungen in 4H-SiC-Kristallen verursacht. Hier schlagen wir eine Methode zur Unterdrückung der 1SSF-Ausdehnung durch Implantation von Protonen auf 4H-SiC-Epitaxiewafer vor. Auf Wafern mit Protonenimplantation hergestellte PiN-Dioden zeigten die gleichen Strom-Spannungs-Kennlinien wie Dioden ohne Protonenimplantation. Im Gegensatz dazu wird die 1SSF-Ausdehnung in der protonenimplantierten PiN-Diode effektiv unterdrückt. Somit ist die Implantation von Protonen in 4H-SiC-Epitaxiewafer eine effektive Methode zur Unterdrückung der bipolaren Degradation von 4H-SiC-Leistungshalbleiterbauelementen bei gleichbleibender Geräteleistung. Dieses Ergebnis trägt zur Entwicklung hochzuverlässiger 4H-SiC-Geräte bei.
Siliziumkarbid (SiC) ist weithin als Halbleitermaterial für Hochleistungs- und Hochfrequenz-Halbleiterbauelemente anerkannt, die in rauen Umgebungen betrieben werden können1. Es gibt viele SiC-Polytypen, von denen 4H-SiC hervorragende physikalische Eigenschaften für Halbleiterbauelemente aufweist, wie z. B. hohe Elektronenbeweglichkeit und starkes elektrisches Durchbruchfeld2. 4H-SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 6 Zoll werden derzeit kommerzialisiert und für die Massenproduktion von Leistungshalbleiterbauelementen verwendet3. Traktionssysteme für Elektrofahrzeuge und -züge wurden unter Verwendung von 4H-SiC4,5-Leistungshalbleiterbauelementen hergestellt. 4H-SiC-Bauelemente leiden jedoch noch immer unter Langzeitzuverlässigkeitsproblemen wie dielektrischem Durchschlag oder Kurzschlusszuverlässigkeit6,7, wobei eines der wichtigsten Zuverlässigkeitsprobleme die bipolare Degradation2,8,9,10,11 ist. Diese bipolare Degradation wurde vor über 20 Jahren entdeckt und ist seit langem ein Problem bei der Herstellung von SiC-Bauelementen
Ursache für bipolare Degradation ist ein einzelner Shockley-Stapeldefekt (1SSF) in 4H-SiC-Kristallen mit Basalebenenversetzungen (BPDs), die sich durch rekombinationsverstärktes Versetzungsgleiten (REDG) ausbreiten12,13,14,15,16,17,18,19. Wird die BPD-Ausbreitung auf 1SSF unterdrückt, können daher 4H-SiC-Leistungsbauelemente ohne bipolare Degradation hergestellt werden. Es wurden verschiedene Methoden zur Unterdrückung der BPD-Ausbreitung gemeldet, beispielsweise die Transformation von BPD in TED (Thread Edge Dislocation) 20,21,22,23,24. In den neuesten epitaktischen SiC-Wafern befindet sich die BPD aufgrund der Umwandlung von BPD in TED im Anfangsstadium des epitaktischen Wachstums hauptsächlich im Substrat und nicht in der Epitaxieschicht. Das verbleibende Problem der bipolaren Degradation ist daher die Verteilung der BPD im Substrat 25,26,27. Das Einfügen einer „kompositen Verstärkungsschicht“ zwischen der Driftschicht und dem Substrat wurde als wirksame Methode zum Unterdrücken der BPD-Ausbreitung im Substrat vorgeschlagen28, 29, 30, 31. Diese Schicht erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination von Elektron-Loch-Paaren in der Epitaxieschicht und dem SiC-Substrat. Durch die Reduzierung der Anzahl von Elektron-Loch-Paaren wird die Antriebskraft von REDG zu BPD im Substrat verringert, sodass die zusammengesetzte Verstärkungsschicht die bipolare Degradation unterdrücken kann. Es ist zu beachten, dass das Einfügen einer Schicht zusätzliche Kosten bei der Herstellung von Wafern verursacht. Ohne das Einfügen einer Schicht ist es schwierig, die Anzahl der Elektron-Loch-Paare nur durch Kontrolle der Trägerlebensdauer zu reduzieren. Es besteht daher weiterhin ein großer Bedarf an der Entwicklung anderer Unterdrückungsmethoden, um ein besseres Gleichgewicht zwischen Geräteherstellungskosten und Ausbeute zu erreichen.
Da die Ausdehnung des BPD auf 1SSF die Bewegung von Partialversetzungen (PDs) erfordert, ist die Fixierung der PD ein vielversprechender Ansatz zur Verhinderung der bipolaren Degradation. Obwohl über PD-Fixierung durch Metallverunreinigungen berichtet wurde, befinden sich FPDs in 4H-SiC-Substraten in einer Entfernung von über 5 µm von der Oberfläche der epitaktischen Schicht. Da zudem der Diffusionskoeffizient aller Metalle in SiC sehr klein ist, können metallische Verunreinigungen nur schwer in das Substrat diffundieren34. Aufgrund der relativ großen Atommasse von Metallen ist auch die Ionenimplantation von Metallen schwierig. Im Gegensatz dazu können bei Wasserstoff, dem leichtesten Element, Ionen (Protonen) mithilfe eines Beschleunigers der MeV-Klasse bis zu einer Tiefe von über 10 µm in 4H-SiC implantiert werden. Wenn also die Protonenimplantation die PD-Fixierung beeinflusst, kann sie zur Unterdrückung der BPD-Ausbreitung im Substrat verwendet werden. Allerdings kann die Protonenimplantation 4H-SiC beschädigen und zu einer verringerten Geräteleistung führen37,38,39,40.
Um die Geräteverschlechterung durch Protonenimplantation zu überwinden, wird zur Reparatur der Schäden eine Hochtemperaturglühung verwendet, ähnlich der Glühmethode, die üblicherweise nach der Akzeptorionenimplantation bei der Geräteverarbeitung verwendet wird1, 40, 41, 42. Obwohl die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)43 eine Wasserstoffdiffusion infolge Hochtemperaturglühens gemeldet hat, ist es möglich, dass die Dichte der Wasserstoffatome allein in der Nähe des FD nicht ausreicht, um die Fixierung des PR mittels SIMS festzustellen. Daher implantierten wir in dieser Studie vor dem Geräteherstellungsprozess, einschließlich der Hochtemperaturglühung, Protonen in 4H-SiC-Epitaxie-Wafer. Wir verwendeten PiN-Dioden als experimentelle Gerätestrukturen und stellten sie auf protonenimplantierten 4H-SiC-Epitaxie-Wafer her. Dann beobachteten wir die Volt-Ampere-Kennlinien, um die Verschlechterung der Geräteleistung durch Protoneninjektion zu untersuchen. Anschließend beobachteten wir die Ausdehnung von 1SSF in Elektrolumineszenzbildern (EL), nachdem wir eine elektrische Spannung an die PiN-Diode angelegt hatten. Schließlich bestätigten wir die Wirkung der Protoneninjektion auf die Unterdrückung der 1SSF-Expansion.
In Abb. 1 sind die Strom-Spannungs-Kennlinien (CVCs) von PiN-Dioden bei Raumtemperatur in Bereichen mit und ohne Protonenimplantation vor gepulstem Strom dargestellt. PiN-Dioden mit Protoneninjektion zeigen ähnliche Gleichrichtungskennlinien wie Dioden ohne Protoneninjektion, obwohl die IV-Kennlinien bei beiden Dioden gleich sind. Um den Unterschied zwischen den Injektionsbedingungen zu verdeutlichen, haben wir die Spannungsfrequenz bei einer Durchlassstromdichte von 2,5 A/cm2 (entsprechend 100 mA) als statistisches Diagramm dargestellt, wie in Abbildung 2 gezeigt. Die durch eine Normalverteilung angenäherte Kurve wird auch durch eine gepunktete Linie dargestellt. Wie an den Spitzen der Kurven ersichtlich, steigt der Durchlasswiderstand bei Protonendosen von 1014 und 1016 cm-2 leicht an, während die PiN-Diode mit einer Protonendosis von 1012 cm-2 fast dieselben Kennlinien zeigt wie ohne Protonenimplantation. Wir führten auch eine Protonenimplantation nach der Herstellung von PiN-Dioden durch, die aufgrund von Schäden durch die Protonenimplantation keine gleichmäßige Elektrolumineszenz zeigten, wie in Abbildung S1 dargestellt, wie in früheren Studien beschrieben37,38,39. Daher ist das Glühen bei 1600 °C nach der Implantation von Al-Ionen ein notwendiger Prozess zur Herstellung von Geräten zur Aktivierung des Al-Akzeptors, der die durch die Protonenimplantation verursachten Schäden reparieren kann, wodurch die CVCs bei implantierten und nicht implantierten Protonen-PiN-Dioden gleich bleiben. Die Sperrstromfrequenz bei -5 V ist ebenfalls in Abbildung S2 dargestellt. Es gibt keinen signifikanten Unterschied zwischen Dioden mit und ohne Protoneninjektion.
Volt-Ampere-Kennlinien von PiN-Dioden mit und ohne Protoneninjektion bei Raumtemperatur. Die Legende gibt die Protonendosis an.
Spannungsfrequenz bei Gleichstrom 2,5 A/cm² für PiN-Dioden mit injizierten und nicht injizierten Protonen. Die gepunktete Linie entspricht der Normalverteilung.
Abb. 3 zeigt ein EL-Bild einer PiN-Diode mit einer Stromdichte von 25 A/cm² nach Anlegen einer Spannung. Vor Anlegen der gepulsten Stromlast waren die dunklen Bereiche der Diode nicht sichtbar, wie in Abbildung 3. C2 dargestellt. Wie in Abb. 3a gezeigt, wurden jedoch in einer PiN-Diode ohne Protonenimplantation nach Anlegen einer elektrischen Spannung mehrere dunkle Streifenbereiche mit hellen Rändern beobachtet. Solche stabförmigen dunklen Bereiche sind in EL-Bildern für 1SSF zu sehen, die sich vom BPD im Substrat erstrecken28,29. Stattdessen wurden in PiN-Dioden mit implantierten Protonen einige ausgedehnte Stapelfehler beobachtet, wie in Abb. 3b–d dargestellt. Mithilfe von Röntgentopographie haben wir das Vorhandensein von PRs bestätigt, die sich ohne Protoneninjektion vom BPD zum Substrat am Rand der Kontakte in der PiN-Diode bewegen können (Abb. 4: dieses Bild ohne Entfernen der oberen Elektrode (fotografiert, PR unter den Elektroden ist nicht sichtbar). Daher entspricht der dunkle Bereich im EL-Bild einem erweiterten 1SSF-BPD im Substrat. EL-Bilder anderer geladener PiN-Dioden sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Die Videos S3–S6 mit und ohne erweiterte dunkle Bereiche (zeitveränderliche EL-Bilder von PiN-Dioden ohne Protoneninjektion und implantiert bei 1014 cm-2) sind außerdem in den ergänzenden Informationen dargestellt.
EL-Bilder von PiN-Dioden bei 25 A/cm2 nach 2 Stunden elektrischer Belastung (a) ohne Protonenimplantation und mit implantierten Dosen von (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 und (d) 1016 cm-2 Protonen.
Wir haben die Dichte von expandiertem 1SSF berechnet, indem wir für jede Bedingung dunkle Bereiche mit hellen Rändern in drei PiN-Dioden berechnet haben, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Dichte von expandiertem 1SSF nimmt mit zunehmender Protonendosis ab, und selbst bei einer Dosis von 1012 cm-2 ist die Dichte von expandiertem 1SSF deutlich niedriger als in einer nicht implantierten PiN-Diode.
Erhöhte Dichten von SF-PiN-Dioden mit und ohne Protonenimplantation nach Belastung mit einem gepulsten Strom (jeder Zustand umfasste drei belastete Dioden).
Eine Verkürzung der Trägerlebensdauer beeinflusst auch die Unterdrückung der Expansion, und eine Protoneninjektion verkürzt die Trägerlebensdauer32,36. Wir haben Trägerlebensdauern in einer 60 µm dicken Epitaxieschicht mit injizierten Protonen von 1014 cm-2 beobachtet. Obwohl die Implantation den Wert der anfänglichen Trägerlebensdauer auf ca. 10 % reduziert, wird er durch anschließendes Tempern auf ca. 50 % wiederhergestellt, wie in Abb. S7 gezeigt. Daher wird die durch die Protonenimplantation reduzierte Trägerlebensdauer durch Hochtemperaturtempern wiederhergestellt. Obwohl eine 50-prozentige Reduzierung der Trägerlebensdauer auch die Ausbreitung von Stapelfehlern unterdrückt, zeigen die I–V-Kennlinien, die normalerweise von der Trägerlebensdauer abhängen, nur geringe Unterschiede zwischen injizierten und nicht implantierten Dioden. Wir glauben daher, dass die PD-Verankerung eine Rolle bei der Hemmung der 1SSF-Expansion spielt.
Obwohl SIMS nach dem Tempern bei 1600 °C keinen Wasserstoff nachweisen konnte, wie in früheren Studien berichtet, beobachteten wir den Effekt der Protonenimplantation auf die Unterdrückung der 1SSF-Ausdehnung, wie in Abbildung 1 und 4 dargestellt. 3, 4. Daher gehen wir davon aus, dass die PD durch Wasserstoffatome mit einer Dichte unterhalb der Nachweisgrenze von SIMS (2 × 1016 cm-3) oder implantationsinduzierte Punktdefekte verankert ist. Es ist zu beachten, dass wir keinen Anstieg des Durchlasswiderstands aufgrund der Dehnung von 1SSF nach einer Stoßstrombelastung bestätigen konnten. Dies könnte auf fehlerhafte ohmsche Kontakte zurückzuführen sein, die mit unserem Verfahren hergestellt wurden und in naher Zukunft behoben werden.
Zusammenfassend haben wir eine Löschmethode entwickelt, um die BPD auf 1SSF in 4H-SiC-PiN-Dioden durch Protonenimplantation vor der Geräteherstellung zu erweitern. Die Verschlechterung der I-V-Kennlinie während der Protonenimplantation ist unbedeutend, insbesondere bei einer Protonendosis von 1012 cm–2, aber der Effekt der Unterdrückung der 1SSF-Ausdehnung ist signifikant. Obwohl wir in dieser Studie 10 µm dicke PiN-Dioden mit Protonenimplantation bis zu einer Tiefe von 10 µm hergestellt haben, ist es immer noch möglich, die Implantationsbedingungen weiter zu optimieren und sie zur Herstellung anderer Arten von 4H-SiC-Geräten anzuwenden. Zusätzliche Kosten für die Geräteherstellung während der Protonenimplantation sollten berücksichtigt werden, sie werden jedoch ähnlich hoch sein wie bei der Aluminiumionenimplantation, dem Hauptherstellungsprozess für 4H-SiC-Leistungsgeräte. Daher ist die Protonenimplantation vor der Geräteverarbeitung eine potenzielle Methode zur Herstellung von bipolaren 4H-SiC-Leistungsgeräten ohne Degeneration.
Als Probe wurde ein 4 Zoll großer n-Typ 4H-SiC-Wafer mit einer epitaktischen Schichtdicke von 10 µm und einer Donator-Dotierungskonzentration von 1 × 1016 cm–3 verwendet. Vor der Verarbeitung des Geräts wurden H+-Ionen mit einer Beschleunigungsenergie von 0,95 MeV bei Raumtemperatur bis zu einer Tiefe von etwa 10 µm in einem normalen Winkel zur Plattenoberfläche in die Platte implantiert. Während der Protonenimplantation wurde eine Maske auf einer Platte verwendet und die Platte hatte Abschnitte ohne und mit einer Protonendosis von 1012, 1014 bzw. 1016 cm-2. Dann wurden Al-Ionen mit Protonendosen von 1020 und 1017 cm–3 über den gesamten Wafer bis zu einer Tiefe von 0 – 0,2 µm und 0,2 – 0,5 µm von der Oberfläche implantiert, gefolgt von einem Glühen bei 1600 °C -Typ. Anschließend wurde ein rückseitiger Ni-Kontakt auf der Substratseite abgeschieden, während ein 2,0 mm × 2,0 mm großer, kammförmiger Ti/Al-Vorderseitenkontakt, der mittels Fotolithografie und einem Abziehverfahren gebildet wurde, auf der epitaktischen Schichtseite abgeschieden wurde. Abschließend erfolgte eine Kontakttemperung bei 700 °C. Nach dem Schneiden des Wafers in Chips führten wir eine Spannungscharakterisierung und -anwendung durch.
Die I–V-Kennlinien der hergestellten PiN-Dioden wurden mit einem HP4155B-Halbleiterparameteranalysator beobachtet. Als elektrische Belastung wurde 2 Stunden lang ein 10-Millisekunden-Pulsstrom von 212,5 A/cm2 mit einer Frequenz von 10 Pulsen/s angelegt. Bei Wahl einer niedrigeren Stromdichte oder Frequenz konnten wir nicht einmal in einer PiN-Diode ohne Protoneninjektion eine 1SSF-Ausdehnung beobachten. Wie in Abbildung S8 dargestellt, beträgt die Temperatur der PiN-Diode während der angelegten elektrischen Spannung ohne absichtliche Erwärmung etwa 70 °C. Elektrolumineszenzbilder wurden vor und nach der elektrischen Belastung bei einer Stromdichte von 25 A/cm2 aufgenommen. Synchrotron-Reflexions-Röntgentopographie unter streifendem Einfall mit einem monochromatischen Röntgenstrahl (λ = 0,15 nm) am Aichi Synchrotron Radiation Center, der ag-Vektor in BL8S2 ist -1-128 oder 11-28 (siehe Ref. 44 für Einzelheiten).
Die Spannungsfrequenz bei einer Durchlassstromdichte von 2,5 A/cm² wird in Abb. 2 entsprechend dem CVC jedes Zustands der PiN-Diode in 0,5-V-Schritten extrahiert. Aus dem Mittelwert der Spannung Vave und der Standardabweichung σ der Spannung wird eine Normalverteilungskurve in Form einer gepunkteten Linie in Abb. 2 unter Verwendung der folgenden Gleichung erstellt:
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Beitragszeit: 06.11.2022
